SCHWEIZERISCHES WASSERKRAFTPOTENZIAL ZUR STROMERZEUGUNG UND -SPEICHERUNG BIS 2050 - ALPENFORCE
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Mauvoisin, Quelle: rhonefm.ch Trift, Quelle: KWO Schweizerisches Wasserkraftpotenzial zur Stromerzeugung und -speicherung bis 2050 Prof. Dr. Robert Boes ETH Zürich, Versuchsanstalt für Wasserbau und Glaziologie (VAW) Energieforschungsgespräche Disentis 2021 | 20.01.2021 | 1
Gliederung Ergebnisse aus dem White Paper „Hydropower generation and storage“ des SCCER-SoE § Einleitung und Hintergrund § Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung § Exkurs Speichervermögen infolge Talsperrenerhöhungen § Herausforderungen und Möglichkeiten der Wasserkraft § Exkurs Wasserkraftpotenzial nach Gletscherrückzug § Zusammenfassung § Empfehlungen | 20.01.2021 | 2
Einleitung und Hintergrund Heutige Rolle der Wasserkraft Zentrale Säule der Schweizerischen Stromversorgung Produktion § Wasserkraft 38 TWh/a (Mittelwert 2010-2019) ~ 60% der Netto-Stromerzeugung (~ 63 TWh/a) § nominales Jahresarbeitsvermögen ~ 36 TWh/a (nach Abzug des Verbrauchs der Speicherpumpen, mit Kleinwasserkraft) § in letzten Jahren/Jahrzehnten leicht höhere Produktion Durchschnitt 2009/2010 – 2018/2019: ~4.4 TWh/Winter wegen Abschmelzen der Gletscher (vorübergehend) Speicher § Im Winter grösserer Bedarf bei geringerer Produktion § 8.85 TWh Energieinhalt der Speicherseen Datenquelle: § 6.5 TWh davon alljährlich im Mittel genutzt Elektriziäts- Statistik § Stromimporte im Winterhalbjahr erforderlich BFE | 20.01.2021 | 3
Einleitung und Hintergrund CH-Energiestrategie 2050 – Entwicklung Produktion und Verbrauch Landesverbrauch (ohne Speicherpumpen) 2017-2019 im Mittel rund 62.4 TWh/a ”Weiter wie bisher” TWh ”Politische Massnahmen” ? ”Neue Energiepolitik” ≈ 33 / 25 TWh/a «Lücke» ≈ 36 - 38 TWh/a Quelle: Prognos (2012) | 20.01.2021 | 4
Einleitung und Hintergrund Zukünftige Rolle der Wasserkraft im Vergleich zur mittleren Produktionserwartung von ~ 36 TWh/a (Stand 2019) Energiestrategie (ES) 2050 § + 1.4 TWh/a bis in 15 Jahren Produktionsziele Wasserkraft § + 2.6 TWh/a bis in 30 Jahren § ≥ 37.4 TWh/Jahr bis 2035 (Energiegesetz) § 38.6 TWh/Jahr bis 2050 (Bundesrat 2013) Stand 1.1.2020: § Zubau von ≥ 5 TWh/Winter bis 2035 36.1 TWh erreicht (Empfehlung ElCom 2020, nicht nur durch Wasserkraft) § Zubau von 2 TWh/Winter bis 2040 (Medienmittelung BFE 11.11.2020, laufende Revision StromVG) Steigender Bedarf an Regelenergie infolge geplantem sehr starkem Ausbau der Photovoltaik (und Wind) Quelle: BFE (2019), Monitoringbericht ES 2050 | 20.01.2021 | 5
Einleitung und Hintergrund Stärken und Schwächen der Wasserkraft Wasserkraft ist sehr vorteilhaft in Bezug auf … § Erntefaktor (EROI) § Speicher-Erntefaktor (ESOI) Quelle: Steffen et al. (2018) | 20.01.2021 | 6
Einleitung und Hintergrund Stärken und Schwächen der Wasserkraft Wasserkraft ist sehr vorteilhaft in Bezug auf … § Lebenszyklusanalyse (LCA) § Treibhausgas-Emissionen (GHG) Quelle: Bauer et al. (2017), PSI | 20.01.2021 | 7
Einleitung und Hintergrund Stärken und Schwächen der Wasserkraft Wasserkraft hat zum Teil negative Auswirkungen auf aquatische und terrestrische Ökosysteme § Längsvernetzung (z.B. Fisch- und Geschiebedurchgängigkeit) § Restwasserstrecken § Schwall- und Sunk Einfluss von Speichersystemen auf die wesentlichen bio-physikalischen Prozesse in Flüssen Quelle: Poff & Hart (2002) | 20.01.2021 | 8
Gliederung Ergebnisse aus dem White Paper „Hydropower generation and storage“ des SCCER-SoE § Einleitung und Hintergrund § Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung § Exkurs Speichervermögen infolge Talsperrenerhöhungen § Herausforderungen und Möglichkeiten der Wasserkraft § Exkurs Wasserkraftpotenzial nach Gletscherrückzug § Zusammenfassung § Empfehlungen | 20.01.2021 | 9
Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung Produktion: Neubauten, Ausbauten und Erneuerungen § Mehr als 90% des Schweizerischen Wasserkraftpotenzials wird bereits genutzt § Mehrere Studien zum zusätzl. nutzbaren Wasserkraftpotenzial durch SWV, BFE, SCCER-SoE Zusätzl. Potential: Jährliche Produktion Produktion im Winterhalbjahr [TWh/Jahr] [TWh/Winter] Neue kleine & grosse Anlagen 0.7 – 1.7 0.3 – 0.7 Ausbau / Erweiterung 0.4 – 1.5 0.2 – 0.6 Erneuerung / Sanierung 0.5 – 1.0 0.2 – 0.4 Periglaziale Wasserkraft 0.0 – 0.8 0.0 – 0.5 Talsperrenerhöhungen 0.0 – 0.2 0.2 – 1.5 à Talsperrenerhöhungen könnten signifikant zur Produktion im Winterhalbjahr beitragen | 20.01.2021 | 10
Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung Speicherung: periglaziale Wasserkraft und Talsperrenerhöhungen Zusätzl. Potential: Gespeicherte Energie [TWh] Talsperrenerhöhungen 0.2 – 1.5 Periglaziale Wasserkraft 0.0 – 1.0 Erneuerung / Sanierung 0.1 – 0.2 Neue kleine & grosse Anlagen – Ausbau / Erweiterungen – Erhöhung der Talsperre Vieux Emosson (2012-2015) um +21.5 m (39%) à +93% Volumenzunahme Periglazialer Speicher Triftgletscher 145 GWh/Jahr; 215 GWh Speicher | 20.01.2021 | 11
Exkurs Talsperrenerhöhungen Beispiel Luzzone (TI, 1997–1998) + 17 m (+8%) Speichervolumen +20 Mio m3 (+23%) Foto: A. Michael | 20.01.2021 | 12
Talsperrenerhöhungen: Methodik für Potenzialstudie (1) Erstellen einer Bewertungsmatrix (2) Systematische Bewertung von 38 Schweizer Wasserkraftspeichern (> 20 Mio. m3) für drei relative Erhöhungsmasse: 5%, 10% und 20% der max. Sperrenhöhe (3) Auswählen der Erhöhungsoptionen mit Höchstpunktzahl und Einteilung in vier Szenarien (4) Abschätzen der erreichbaren zusätzlichen Speichervolumina und der Elektrizitätsproduktion, die zusätzlich in den Winter umgelagert werden kann | 20.01.2021 | 13
Bewertungsmatrix 0 - 4 Punkte für jedes Kriterium, mit folgender Gewichtung (0 = Ausschlusskriterium): ZUKÜNFTIGER STAURAUM (27%) (A) Schutzgebiete (9%) (B) Bodennutzung und Gebäude (9%) (A) (C) Infrastrukturanpassungen (9%) KRAFTWERKSSYSTEM (46%) (H) (B) (F) Wasserwirtschaft (9%) (C) (G) Anpassungen hydr. System (9%) (H) Erhöhung der Stromproduktion im Winter (28%) (G) (D) SPERRE (27%) (F) (E) (D) Bautechnische Eignung (9%) (E) Relativer Aufwand (18%) | 20.01.2021 | 14
Auswahl Erhöhungsoptionen Ausgeschieden (12), davon: Wegen bestehenden 38 Speicherseen der Schweiz (> 20 Mio. m3) mit ∆h/ h = 5, 10, 20% Siedlungen und Bebauung wenig über Stauziel (6): Lac de Gruyere, Schiffenensee, Sihlsee, Wägitalersee, Lago di Livigno, Lago di Vogorno Wegen Moorschutz (2): Räterichsbodensee und Göscheneralpsee Wegen Bautechnik (1): Zeuzier Weil schon erhöht (3): Mauvoisin, Luzzone, Vieux Emosson Quelle: Felix et al., Wasser, Energie, Luft, 2020, 1, 1-10 | 20.01.2021 | 15
Gesamt-Umlagerungspotenziale (1) in GWh Speicher (alphab., Farben = Kanton) Szenario 1 1 Albigna (+20%) GR 74 Anzahl Stauseen erhöht Δ Volumen Δ Energie 2 Cavagnoli (+10%/+20%) TI 24 3 Cleuson (+10%/+20%) VS 17 um Δh/h= 5% 10% 20% total [Mio. m3] [TWh] 4 Curnera (+20%) GR 76 5 Gde. Dixence (+10%) VS 525 Szenario 1 1 6 10 17 700 2.2 6 Emosson (+20%) VS 425 7 Gigerwald (+5%) SG 11 Zürich 8 Grimsel * (+20%) BE 204 9 Hongrin (20%) VD 10 Klöntal (20%) GL 11 Lago di Lei (+10%) GR/I 206 12 Limmern (+20%) GL 120 Bern 7 13 Lucendro (+10%) TI 12 17 Chur 14 Marmorera (+20%) GR 61 15 Mattmark (+20%) VS 4 16 Moiry (+10% / +20%) VS 82 8 26 21 20 14 17 Muttsee (+20%) GL 17 11 2 18 Nalps (+20%) GR 1 19 Naret (+20%) TI 20 Oberaar (+20%) BE 152 Sio 21 Ritom (+10%/+20%) TI 13 22 3 n16 22 Salanfe (+20%) VS 69 6 5 Grundlagenkarte: 23 Sambuco (+20%) TI swisseduc 24 Sta. Maria (+5%) GR 25 Toules (+20%) VS 26 Zervreila (+20%) GR 133 Quelle: Felix et al., Wasser, Energie, Luft, 2020, 1, 1-10 Total 2210 * 240 GWh gemäss https://www.grimselstrom.ch/ausbauvorhaben/zukunft/vergroesserung-grimselsee | / | 16
Gesamt-Umlagerungspotenziale (2) in GWh Speicher (alphab., Farben = Kanton) Szenario 1 Szenario 2 1 Albigna (+20%) GR 74 74 Anzahl Stauseen erhöht Δ Volumen Δ Energie 2 Cavagnoli (+10%/+20%) TI 24 47 3 Cleuson (+10%/+20%) VS 17 37 um Δh/h= 5% 10% 20% total [Mio. m3] [TWh] 4 Curnera (+20%) GR 76 76 5 Gde. Dixence (+10%) VS 525 525 Szenario 1 1 6 10 17 700 2.2 6 Emosson (+20%) VS 425 425 7 Gigerwald (+5%) SG 11 11 Szenario 2 2 3 21 Zürich 26 950 2.9 8 Grimsel * (+20%) BE 204 204 9 Hongrin (20%) VD 94 10 Klöntal (20%) GL 17 10 11 Lago di Lei (+10%) GR/I 206 206 12 Limmern (+20%) GL 120 120 Bern 7 13 Lucendro (+10%) TI 15 12 17 Chur 14 Marmorera (+20%) GR 61 61 15 Mattmark (+20%) VS 149 4 18 24 16 Moiry (+10% / +20%) VS 82 175 8 26 13 21 14 20 17 Muttsee (+20%) GL 17 17 11 2 19 18 Nalps (+20%) GR 72 9 23 1 19 Naret (+20%) TI 54 20 Oberaar (+20%) BE 152 152 Sio 21 Ritom (+10%/+20%) TI 13 26 22 3 n16 22 Salanfe (+20%) VS 69 69 6 5 15 Grundlagenkarte: 23 Sambuco (+20%) TI 81 swisseduc 25 24 Sta. Maria (+5%) GR 30 25 Toules (+20%) VS 33 26 Zervreila (+20%) GR 133 133 Quelle: Felix et al., Wasser, Energie, Luft, 2020, 1, 1-10 Total 2210 2905 * 240 GWh gemäss https://www.grimselstrom.ch/ausbauvorhaben/zukunft/vergroesserung-grimselsee | / | 17
Gesamt-Umlagerungspotenziale (3) Zusätzl. Anzahl Speicher- Szenario ausgebaute kapazität Speicher [TWh] 1 optimistisch 17 2.2 sehr 2 26 2.9 optimistisch Szenario 1, jedoch ohne 3 14 1.1 drei grösste Ausbauten 4 Nur Grimsel 1 0.2 Quelle: Felix et al., Wasser, Energie, Luft, 2020, 1, 1-10 | 20.01.2021 | 18
Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung Betriebliche Verbesserungen § Abflussvorhersage über mehrere Wochen kann Wasserverluste reduzieren, die Speicherbewirtschaftung verbessern und die Produktion erhöhen § Schwebstoffmonitoring in Echtzeit zur Reduktion von Hydroabrasion (Wirkungsgrade) § Dualismus zwischen Produktions- und Erlösmaximierung à Neue Anreize erforderlich (z.B. flexible Wasserzinsen)? Felix (2016) VAW (2018) Anghileri et al. (2018) | 20.01.2021 | 19
Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung Umweltaspekte Schweizerisches Gewässerschutzgesetz (GSchG) erfordert (bis 2030): § Restwassermengen § Dynamische Abgabe je nach Abflussregime kann vorteilhaft sein für die Ökologie und Wasserkraft § Reduktion von Schwall/Sunk und Thermopeaking § Verbesserung bzgl. Fischwanderung (Auf- und Abstieg) § Neue technische Lösungen für den Fischabstieg erforderlich § Eingriffe in den Geschiebehaushalt reduzieren § Spülung, Umleitung, Ausbaggerung, Geschiebeanreicherung à keine Schätzungen bezüglich Produktionseinbussen, da die Massnahmen noch nicht festgelegt wurden Jährliche Produktion Produktion im Winter Quelle [TWh/Jahr] [TWh/Winter] Erhöhte Restwassermengen −3.6 to −1.9 −1.5 to −0.8 u.a. Pfammatter & Semadeni Wicki (2018) Massnahmen Fischabstieg −1.0 to −0.2 −0.4 to −0.1 Abschätzungen VAW (SCCER-SoE 2020) | 20.01.2021 | 20
Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung Auswirkungen des Klimawandels Energiewende fällt mit signifikanten Änderungen des Klimas zusammen, welche § die jährliche und saisonale Wasserkraftproduktion beeinflussen § die Sedimentzufuhr verändern § die Naturgefahren-Situation verändern Laufwasserkraftwerke (Werte bezogen auf 2060) § Jährlich: −0.3% (RCP2.6), −2.9% (RCP8.5) § Winter: +6.4% (RCP2.6), +8.4 (RCP8.8) Speicherkraftwerke § Keine signifikanten Änderungen der jährlichen Niederschlagsmengen § Signifikanter Rückgang der heute überdurchschnittlichen Produktion in durch Eisschmelze dominierten Einzugsgebieten | 20.01.2021 | 21
Gliederung Ergebnisse aus dem White Paper „Hydropower generation and storage“ des SCCER-SoE § Einleitung und Hintergrund § Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung § Exkurs Speichervermögen infolge Talsperrenerhöhungen § Herausforderungen und Möglichkeiten der Wasserkraft § Exkurs Wasserkraftpotenzial nach Gletscherrückzug § Zusammenfassung § Empfehlungen | 20.01.2021 | 22
Herausforderungen und Chancen Herausforderungen Marktlage und regulatorische Rahmenbedingungen § Konzessionserneuerungen § Amortisationsvereinbarungen Interessenskonflikte ES 2050 vs. Gewässerschutzgesetz § Restwasser § Auenschutz § Hydrologische Effekte Nachhaltiges Sedimentmanagement Unsicherheiten in der Abschätzung des Wasserkraftpotenzials | 20.01.2021 | 23
Herausforderungen und Chancen Chancen Neu entstehende Gletscherseen § Zeitspanne? § Nutzungsmöglichkeiten? Schutz vor Naturgefahren § Hochwasserschutz § Schutz gegen Massenbewegungen Mehrzweckspeicher § Bewässerung (Aare / Seeland, Val de Bagnes) § Tourismus à Wie sollen diese Aspekte monetarisiert werden? Unterer Grindelwaldgletscher (2009) Quelle: Häberli et al. (2012) | 20.01.2021 | 24
Exkurs: Wasserkraft bei Gletscherrückgang Zeitlicher Verlauf am Bsp. des Einzugsgebiets der Massa (Aletschgletscher, VS) Quelle: Farinotti et al. (2011) | 20.01.2021 | 25
Gletscherseen und Gletschervorfelder D. Ehrbar, VAW Proglazialer See am Rhonegletscher in 2016 | 20.01.2021 | 26
Gletscherseen und Gletschervorfelder Standorte für neue Stauseen und Speicherkraftwerke am Bsp. Triftgletscher (BE) Quelle: KWO Trift Glacier 1948 2008 2032 | 20.01.2021 | 27
Beispiel Rückzug des Gornergletschers (VS, Längsschnitt) Quelle: Felix et al. (2021), Fachartikel in Begutachtung | 20.01.2021 | 28
Periglaziale Wasserkraft: Methodik für Potenzialstudie ① Auswerten von Abflussprognosen (bis 2100) von Farinotti et al. (2016): • 1576 Gletscher in der Schweiz • 14 Globale Zirkulationsmodelle (GCM) • 3 Emissionsszenarien (RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5) ② Ausgewählte Beispiele mit mittlerem Jahresabfluss >10 Mio m3 (im Mittel von 2017-2035) ③ Systematische Bewertung von 62 Standorten, die bis 2035 (weitgehend) eisfrei sind, mittels Evaluationsmatrix (Doktorarbeit D. Ehrbar 2018) ④ Potentialermittlung neuer periglazialer Reservoire zur Elektrizitätserzeugung und Vergleich mit Zielen des Energiegesetzes bzw. der ES 2050 | 20.01.2021 | 29
Bewertungsmatrix 1 - 3 Punkte für jedes Kriterium, mit folgender Gewichtung (Modell A): GESELLSCHAFT (15%) WIRTSCHAFT (60%) § Schutzzonen (7%) § Installierte Leistung (10%) § Landnutzung (5%) § Stromproduktion (10%) § Tourismus (3%) § Investitionskosten (11%) Zu den Schutzzonen: § Zuflussentwicklung (3%) 0 Punkte, falls Lage in Biotopen von nationaler Bedeutung nach § Speicherverlandung (7%) Artikel 18a des Bundesgesetzes vom 1. Juli 1966 über den Natur- § Erdbeben (3%) und Heimatschutz (NHG) und in Wasser- und Zugvogelreservaten § Impulswellen (3%) nach Artikel 11 des Jagdgesetzes vom 20. Juni 1986 § Hochwasserschutz (3%) à Ausschlusskriterium insbesondere infolge Auenschutz § Flexibilität und (Gletschervorfelder) Speicherkapazität (10%) UMWELT (25%) § Sichtbarkeit von Siedlungen aus (3%) § Restwasser (7%) § Sedimentdurchgängigkeit (10%) § Schwall/Sunk und Thermopeaking (5%) | 20.01.2021 | 30
Gewichtungen und Sensitivitätsanalyse Quelle: Ehrbar et al., Wasser, Energie, Luft, 2019, 4, 205-212 | 20.01.2021 | 31
Bsp. Sensitivitätsanalyse Modell A Modell B Modell C (Produktions-orientiert) (gleiche Gewichtungen) (Akzeptanz-orientiert) Standort (Gletscher) Punkte Rang Punkte Rang Punkte Rang Aletschgletscher 211 3 200 6 198 8 Gornergletscher 204 7 187.5 10 192 9 Triftgletscher 210 4 206.25 3 211 2 | 20.01.2021 | 32
Neue periglaziale Wasserkraft: Potential der «Top 12» Standorte in rot: Standorte mit Gletschervorfeld im Gletscher Jahres- Energie- Speicher- (alphabetisch, produktion inhalt inhalt Aueninventar des Bundes (Biotope von Standortkanton) [GWh/a] [GWh] [Mio. m3] nationaler Bedeutung) 1 Allalin (VS) 32 47 20 2 Aletsch (VS) 200 216 106 Zürich 3 Corbassière (VS) 57 33 16 4 Gauli (BE) 16 75 41 5 Gorner (VS) * 220 550 150 Bern Chur 6 Oberaletsch (VS) 105 60 30 10 7 Palü (GR) 14 19 9 12 4 8 Roseg (GR) ** 95 159 71 6 2 8 7 9 Schwarzberg (VS) 19 41 19 Sion 10 Trift (BE) *** 145 215 85 11 1 Grundlagenkarte: 11 Turtmann (VS) 36 78 36 3 5 9 swisseduc 12 Unt. Grindelw. (BE) 112 150 84 Quelle: adaptiert nach Ehrbar et al., Sustainability, 2018, 10(8), 2794 Total (ohne 3,4,7,8) 1051 (869) 1643 (1357) 667 (530) | 20.01.2021 | 33 * nach Lehmann (2020) ** nach Baumann (2020) *** https://www.grimselstrom.ch/ausbauvorhaben/zukunft/kraftwerk-trift/
Gliederung Ergebnisse aus dem White Paper „Hydropower generation and storage“ des SCCER-SoE § Einleitung und Hintergrund § Mögliche Änderungen in Wasserkraftproduktion und -speicherung § Exkurs Speichervermögen infolge Talsperrenerhöhungen § Herausforderungen und Möglichkeiten der Wasserkraft § Exkurs Wasserkraftpotenzial nach Gletscherrückzug § Zusammenfassung § Empfehlungen | 20.01.2021 | 34
Zusammenfassung § Ziele der Energiestrategie 2050 können nur im «Obergrenzwert»-Szenario erreicht werden § In einem realistischeren «mittleren» Szenario stehen der Produktionszunahme durch Aus- und Neubauten die Produktionsverluste infolge Umwelt-Ausgleichsmassnahmen gegenüber à nur geringe Nettozunahme der jährlichen Wasserkraftproduktion à Zunahme der Produktion im Winterhalbjahr um ~1.1 TWh/Winter | 20.01.2021 | 35
Synthese Jährliche Wasserkraftproduktion § auf Kurs für das «Obergrenzwert»-Szenario § Seitwärtsbewegung für das mittlere Szenario § Abnahme im «Untergrenzwert»-Szenario Wasserkraft-Speicherenergie § Abbildung hier für das «Obergrenzwert»- Szenario § +2.4 TWh effektive Speicherkapazität (~55% der Winterimporte 2010-2019) | 20.01.2021 | 36
Empfehlungen § Priorisierung von Ausbau, Erneuerungen und Erweiterungen von bestehenden Wasserkraftanlagen (inklusive Erhöhung der Speicherkapazität durch Talsperrenerhöhungen) § Berücksichtigung von neuen Speicherkraftwerken in Gletscherrückzugs- gebieten (periglaziale Standorte) unter Abwägung von unterschiedlichen Interessen § Die Realisierung von potenziellen Projekten sollte anhand eines Priorisierungsschemas basierend auf Nachhaltigkeitskriterien erfolgen § Jetzt handeln! – Die Planung, Genehmigung und Realisierung von grossen Wasserkraftanlagen erfordert mindestens 15 Jahre § Zusätzliche Massnahmen sind erforderlich, um die Ziele der Energiestrategie 2050 zu erreichen (Rahmenbedingungen und Anreize) | 20.01.2020 | 37
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! boes@vaw.baug.ethz.ch Herzlichen Dank allen Mitwirkenden!! | 20.01.2020 | 38
Sie können auch lesen